Activity-dependent plasticity of neuronal excitability a role for short

UvA-DARE (Digital Academic Repository)
Activity-dependent plasticity of neuronal excitability a role for short-term modulation
of voltage-gated ion channels in neuronal function
van Welie, I.
Link to publication
Citation for published version (APA):
van Welie, I. (2004). Activity-dependent plasticity of neuronal excitability a role for short-term modulation of
voltage-gated ion channels in neuronal function
General rights
It is not permitted to download or to forward/distribute the text or part of it without the consent of the author(s) and/or copyright holder(s),
other than for strictly personal, individual use, unless the work is under an open content license (like Creative Commons).
Disclaimer/Complaints regulations
If you believe that digital publication of certain material infringes any of your rights or (privacy) interests, please let the Library know, stating
your reasons. In case of a legitimate complaint, the Library will make the material inaccessible and/or remove it from the website. Please Ask
the Library: http://uba.uva.nl/en/contact, or a letter to: Library of the University of Amsterdam, Secretariat, Singel 425, 1012 WP Amsterdam,
The Netherlands. You will be contacted as soon as possible.
UvA-DARE is a service provided by the library of the University of Amsterdam (http://dare.uva.nl)
Download date: 18 Jul 2017
NEDERLANDSEE SAMENVATTING
NederlandseNederlandse samenvatting
Dee doelstelling van dit proefschrift was om te bestuderen of een bepaalde vorm
vann plasticiteit, oftewel verandering in eigenschappen, bestaat in neuronen in het
centraall zenuwstelsel. Als modelsysteem werd hiervoor een hersenstructuur
gebruiktt die van groot belang lijkt te zijn voor bepaalde vormen van leren en
geheugen:: de hippocampus. Plasticiteit van neuronale eigenschappen in het
algemeenn zou vele processen in de hersenen, waaronder die van leren en geheugen,
kunnenn verklaren. Neuronale plasticiteit is in de afgelopen tientallen jaren
veelvuldigg bestudeerd, en de focus heeft hierbij vooral gelegen op de plasticiteit
vann de synapsen. Synaptische eigenschappen blijken namelijk in meerdere
hersenstructurenn langdurig te kunnen veranderen na specifieke stimulaties van de
synapsen.. De processen die hiervoor verantwoordelijk zijn, zijn de afgelopen
decenniaa deels in kaart gebracht, maar hoe synaptische plasticiteit exact bijdraagt
aann leer- en geheugen processen is vooralsnog onduidelijk. Het lijkt er dan ook op
datt synaptische plasticiteit alken leren-en geheugenprocessen niet volledig kan
verklaren. .
Eenn andere vorm van plasticiteit die pas in de laatste jaren onder de aandacht is
gekomen,, is plasticiteit van intrinsieke exciteerbaarheid. De exciteerbaarheid van
neuronenn is een maat voor hoe makkelijk neuronen reageren op binnenkomende
signalenn en beschrijft de kans op het genereren actiepotentialen in reactie op deze
binnenkomendee signalen. Exciteerbaarheid wordt bepaald door de eigenschappen
vann de voltage-afhankelijke ion kanalen die zich in de membraan bevinden.
Plasticiteitt van exciteerbaarheid betekent dat er veranderingen in de eigenschappen
vann deze ion kanalen optreden waardoor het neuron zich anders gaat gedragen en
inn meer of mindere mate reageert op binnenkomende signalen van andere
neuronen.. Deze vorm van plasticiteit is tot nu toe alleen bestudeerd (en dus
beschreven)) vanuit het idee dat langdurige veranderingen in activiteit in het
netwerkk (gedurende uren tot dagen) zouden kunnen leiden tot plasticiteit van
exciteerbaarheid. .
Inn dit proefschrift heb ik geprobeerd te onderzoeken of plasticiteit van intrinsieke
exciteerbaarheidd ook geïnduceerd kan worden na veranderingen in activiteit op een
relatieff korte tijdsschaal, namelijk die van de minuten. Ik was bovendien met name
geïnteresseerdd in het aantonen van mechanismes van homestatische plasticiteit van
exciteerbaarheid,, aangezien deze vorm van plasticiteit een stabilizerende werking
opp neuronen kan hebben in een netwerk omgeving waar fluctuaties in activiteit aan
dee orde van de dag zijn.
Hieronderr volgt per hoofdstuk een korte samenvatting van de experimentele
bevindingenn die in dit proefschrift beschreven zijn.
153 3
Activity-dependentActivity-dependent plasticity of neuronal excitability
H o o f d s t u kk 2 — Homeostatische schaling van exciteerbaarheid door
synaptischee modulatie van somatische hyperpolarizatie-geactiveerde
Ihh kanalen
Inn dit hoofdstuk werd bestudeerd hoe een specifieke ion stroom die erg belangrijk
iss voor de exciteerbaarheid van neuronen, de hyperpolarizatie-geactiveerde Ih
stroom,, gereguleerd wordt wanneer de activiteit in de hippocampus voor enkele
tientallentientallen minuten sterk verhoogd wordt. Ih werd bestudeeerd in pyramidaal
neuronenn in het CAI gebied in de hippocampus en het bleek dat in deze cellen de
Ihh stroom sterk vergroot werd wanneer de activiteit in de hippocampus voor
tenminstee 10 minuten verhoogd was. De verhoging in activiteit werd initieel
opgewektt door middel van het spinne-gif (X-latroxine, een gif dat ervoor zorgt dat
neuronenn al hun neurotransmitters afgeven. Aangezien de meeste neuronen in de
hippocampuss echter de neurotransmitter glutamaat afgeven, heb ik vervolgens
getestt of de verhoging in Ih werd veroorzaakt door glutamaat. Toediening van
glutamaatt resulteerde in een Ih verhoging in dezelfde orde grootte als wanneer het
helee netwerk geactiveerd werd door oc-latrotoxine. Tijdens glutamaat applicatie
begonn Ih na ongeveer 5 - 1 0 minuten geleidelijk toe te nemen en bereikte een
stabiell nivo na ongeveer 20 minuten. Verdere experimenten toonde aan dat de Ih
verhogingg gemedieerd wordt door activatie van AMPA- en NMDA receptoren
(tweee door glutamaat geactiveerde ion kanalen) en dat een verhoging van
intracellulairr Ca2+ noodzakelijk is.
Vervolgenss werd bekeken wat de effecten van een verhoging in Ih zijn voor de
exciteerbaarheidd van CAI pyramidaal neuronen. Omdat deze experimenten niet
gedaann konden worden met dezelfde techniek als waarmee de verhoging van Ih
werdd vastgesteld (de cell-attached patch-clamp techniek), werd een relatief nieuwe
techniekk gebruikt om het effect van een verhoogde Ih te bestuderen. Deze
techniek,, de dynamic clamp techniek, houdt in dat je met behulp van computer
modell de eigenschappen van een specifieke ion stroom simuleert en dan als het
waree deze stroom toe kan voegen aan het neuron waaraan je meet (of vice versa:
eenn ion stroom in het neuron uit kan schakelen). Je kan hiermee dus de
eigenschappenn van een neuron veranderen zonder gebruik van farmaca en heel
specifiekk de functie van een bepaalde ion stroom bestuderen. Op deze wijze werd
dee Ih stroom in CAI pyramidaal neuronen verhoogd om te zien wat het effect
hiervann was op het de exciteerbaarheid van deze neuronen. Dit toonde aan dat
dezee neuronen minder actiepotentialen genereren dan in de controle situatie, en
duss dat een verhoogde Ih leidt tot een verlaagde exciteerbaarheid van deze
neuronen. .
154 4
NederlandseNederlandse samenvatting
Uitt deze experimenten concluderen we dat verhoogde activiteit leidt tot een
verhogingg van Ih, hetgeen vervolgens de exciteerbaarheid van CAI pyramidaal
neuronenn verlaagt. Er is hier dan ook sprake van een homeo statisch mechanisme
omdatt het de verandering in netwerk activiteit tegenwerkt.
H o o f d s t u kk 3 - Activiteits-afhankelijke synaptische modulatie van
s o m a t i s c h ee I h is afhankelijk van intracellulaire Ca 2 + nivo's
Inn hoofdstuk 3 werden de resultaten uit hoofdstuk 2 nog wat verder uitgewerkt en
bekekenn of electrische stimulatie van de synapsen in de hippocampus ook tot
modulatiee van Ih leidt. Een continue laag-frequente (5 Hz) stimulus bleek
voldoendee om Ih te vergroten met een tijdsverloop dat equivalent was aan dat van
glutamaatt stimulatie in hoofdstuk 2. Deze electrische stimulus had geen bijeffecten
opp de synaptische eigenschappen in de hippocampus. Om het effect van
intracellulairr Ca2+ op de Ih vergroting te bestuderen, werden twee verschillende
concentratiess van een langzame, intracellulaire Ca2+ buffer gebruikt. Deze
experimentenn toonden aan dat met een hoge concentratie Ca2+ buffer (en dus
weinigg vrij Ca2+ in de cel), Ih na 5 - 10 minuten langzaam en gradueel begon toe te
nemenn tot tenminste 30 minuten van stimulatie. Met een lage concentratie Ca2+
bufferr (en dus meer vrij Ca2+ in de cel), begon Ih ook na 5 - 10 minuten toe te
nemen,, maar bereikte al na enkele minuten een stabiel, hoog nivo. Na 30 minuten
vann stimulatie bereikte de amplitude van Ih echter dezelfde waarde in de twee
condities,, hetgeen aangeeft dat niet zozeer het optreden van het effect, maar wel de
snelheidd van het effect bepaald wordt door de hoeveelheid intracellulair Ca 2+ . De
verhogingg in Ih bleek een verhoging in de absolute conductantie te behelsen en
hieldd geen veranderingen in de biofysische eigenschappen van Ih in. Met de lage
Ca2++ buffer zagen we ook nog een ander effect: neuronen waren makkelijker tot
vurenn te brengen m.b.v de synaptische stimulatie. Het is onduidelijk waardoor dit
effectt veroorzaakt werd, maar het lijkt er op dat Ca2+ meerdere membraan
eigenschappenn kan beinvloeden.
Vervolgenss werd ook in dit hoofdstuk het effect van een verhoogde Ih op de
exciteerbaarheidd vastgesteld, maar dit keer kon dit gezien de gebruikte techniek, de
whole-celll patch-clamp techniek, wel tegelijk met de verhoging in Ih bestudeerd
worden.. Hieruit bleek dat in de conditie met hoge Ca2+ buffering, de verhoging in
Ihh tot een verlaging van de exciteerbaarheid leidt, terwijl in de conditie met hoge
Ca2++ buffering, de situatie iets ingewikkelder lag. In deze situatie zagen we het
bovengenoemdee bij-effect op synaptische eigenschappen, die neuronen
makkelijkerr tot vuren bracht. Aangezien dit effect hier samen met de verhoging in
Ihh optrad, was er netto gezien geen effect op exciteerbaarheid. Een ander
155 5
Activity-dependentActivity-dependent plasticity of neuronal excitability
bijverschijnsell van de synaptische stimulatie, dat echter in beide buffer condities
optrad,, was dat de vorm van de actiepotentiaal gewijzigd was. Deze verandering
werdd waarschijnlijk veroorzaakt door de modulatie van een ander voltageafhankelijkk ion kanaal, en verdoezelt waarschijnlijk enigzins het effect van Ih op de
exciteerbaarheid. .
Inn conclusie werd in dit hoofdstuk aangetoond dat Ih ook verhoogd kan worden
doorr synaptische stimulatie en dat de hoeveelheid intracellulair Ca2+ bepalend is
voorr de snelheid waarmee Ih verhoogd word.
H o o f d s t u kk
4
— Adaptatie van e e n K* conductantie
reguleert
exciteerbaarheidd i n reactie op veranderingen in achtergrond activiteit
i nn h i p p o c a m p a l e CAI pyramidaal neuronen van de rat
Inn dit hoofdstuk werd bestudeerd wat het effect is van het verlagen van de
achtergrondd activiteit op K + en Na+ stromen in hippocampale CAI pyramidaal
neuronen.. De achtergrond activiteit in een neuronaal netwerk is het geheel aan
neurotransmitterr afgifte, hetzij geïnduceerd door actiepotentialen, hetzij
geinduceerdd door spontane fusie van neurotransmitter blaasjes met de membraaan
vann de synaps. De achtergrond activiteit aanwezig in de hippocampus in de in vitro
situtatiee leidt zelden tot het spontaan vuren van CAI pyramidaal neuronen. De
hypothesee die getest werd, was of deze achtergrond activiteit de input-output
relatiee van CAI pyramidaal neuronen bepaalt. De input-output relatie van
neuronenn is de relatie tussen de hoeveelheid input in de vorm van neurotransmitter
geactiveerdee receptoren en de output in de vorm van actiepotentialen. De
achtergrondd activiteit stelt dus een soort minimum aan activiteit dat er altijd is en
duss bepaalt dat alleen neurortransmitter signalen die boven de achtergrond
uitstijgen,, in staat zijn om neuronen te laten vuren. De achtergrond informatie kan
duss bepalend zijn voor het bereik van de input-output relatie.
Hett bijna volledig reduceren van de achtergrond activiteit d. m. v blokkade van
postsynaptischee neurotransmitter receptoren, leidde tot een verhoging van de
exciteerbaarheidd van CAI pyramidaal neuronen. Dit betekent dat deze neuronen
makkelijkerr tot vuren waren te brengen dan voordat de activiteit geblokkeerd werd.
Dee voornaamste ion stromen die het genereren van actiepotentialen reguleren, zijn
Na ++ en K+ ion stromen. Een verhoging in exciteerbaarheid zou veroorzaakt
kunnenn worden door een verlaging van K+ stromen of een verhoging in Na +
stromen.. Uit de experimenten bleek dat het reduceren van de achtergrond activiteit
resulteerdee in een verlaging van de K+ stroom, en niet in een verhoging in Na +
156 6
NederlandseNederlandse samenvatting
stromen.. De verlaging in de K + stroom bestond uit een verlaging van de absolute
conductantiee en niet zozeer uit veranderingen in de eigenschappen van K + kanalen.
Uitt deze experimenten concluderen we dat een verlaging van de achtergrond
activiteitt kan leiden tot een verhoging van de exciteerbaarheid van CAI pyramidaal
neuronen,, een effect dat waarschijnlijk gemediëerd word door een adaptatie van de
K ++ conductantie.
Hoofdstukk 5 — Verschillende nivo's aan Ih bepalen de specifieke
temporelee integratie in burstende en regelmatig vurende neuronen in
hett subiculum van de rat
Inn hoofdstuk 5 werden de gevolgen van verschillende nivo's aan Ih op de integratie
vann synaptische input bekeken in twee klassen van neuronen die uit zichzelf al
verschillendee hoeveelheden van Ih bleken te hebben: de burstende en de regelmatig
vurendee neuronen in het subiculum. Het subiculum is een hersengebied dat zich
naastt het CAI gedeelte van de hippocampus bevindt en zijn input krijgt vanuit het
CAII gebied. De neuronen in het subiculum vertalen die input vervolgens in een
outputt die richting de corticale gebieden gaat. Het subiculum is dus de laatste
structuurr in de hippocampale formatie van waaruit informatie doorgegeven wordt
aann de hogere corticale gebieden. Het bestaan van de twee klasses neuronen in het
subiculumm is al veelvuldig beschreven: de burstende neuronen vuren in reactie op
inputt in een burst van 2 - 3 actiepotentialen, gevolgd door enkele regelmatige
optredendee actiepotentialen, terwijl de regelmatig vurende neuronen alleen maar
enkelee actiepotentialen genereren. Hoe duidelijk dit verschil in vuurgedrag ook is,
menn heeft vooralsnog geen enkel idee waarom deze twee klasses van cellen bestaan
inn het subiculum en of ze verschillend bijdragen aan de overdracht van signalen uit
hett CAI gebied richting de cortex.
Dee meeste studies waarin men neuronen in het subiculum heeft bestudeerd,
vondenn geen verschillen in de electrofysiologische eigenschappen van de twee
klassenn cellen. Echter, enkele studies rapporteerden een verschil in de
"depolarizerendee sag" die aanwezig is in deze cellen in reactie op een
hyperpolarizatiee van de membraan. Deze sag wordt meestal veroorzaakt door de
activatiee van Ih, dus dit verschil in sag leek te duiden op een verschil in Ih. Een
dergelijkk verschil zou belangrijke consequenties kunnen hebben voor de integratie
vann synaptische signalen in het subiculum en daarom werd de Ih stroom in de twee
klassenn subiculum neuronen bestudeerd en het bleek dat de burstende neuronen
eenn 2x zo grote Ih stroom hebben dan regelmatig vurende cellen. Dit verschil
bestondd enkel uit een verschil in conductantie want er waren geen verschillen in de
157 7
Activity-dependentActivity-dependentplasticity of neuronal excitability
bioo fysische eigenschappen van Ih in de twee klassen neuronen. Het verschil in Ih
conductantiee bleek sterk de mate van temporele summatie van synaptische input te
bepalenn aangezien de burstende neuronen twee keer minder summatie vertoonden
dann de regelmatig vurende cellen. Deze laatste resultaten werden bevestigd in een
theoretischh model van subiculum neuronen.
Uitt deze experimenten concluderen we dat vanwege het verschil in Ih conductantie,
dee burstende neuronen in het subiculum beter geschikt zijn om hoog-frequente
informatiee door te geven. Aangezien sommige studies hebben gesuggereerd dat
dezee twee klassen subiculum neuronen verschillende projectiegebieden hebben,
kann dit belangrijke gevolgen hebben voor de manier waarop informatie
doorgegevenn wordt naar de hogere corticale gebieden.
A p p e n d i xx — L a g e affiniteits blokkade van natieve en gekloneerde
hyperpolarizatie-geactiveerdee I h kanalen door Ba 2 + ionen
Inn dit laatste experimentele hoofdstuk werd onderzocht of Ba2+ ionen effect
hebbenn op de Ih stroom. De reden om dit te bestuderen was dat het algemeen
aangenomenn wordt dat Ba2+ gebruikt kan worden om Ih te isoleren van een andere
hyperpolarizatie-geactiveerdee stroom, de inward rectifier, aangezien de inward
rectirfierr geblokkeerd wordt door Ba2+ en Ih niet. Gedurende de experimenten die
gedaann werden voor hoofdstuk 2 werd het echter opgemerkt dat Ba2+ de verhoging
vann Ih in een aantal gevallen voorkwam en daarmee dus wel degelijk gedeeltelijk Ih
kanalenn leek te blokkeren. Gezien de axiomatische aanname dat Ba2+ geen effect
heeftt op Ih, was het de moeite waard om dit verder te onderzoeken.
Hett effect van Ba2+ op Ih in CAI pyramidaal neuronen in hippocampale plakken,
alsmedee het effect van Ba2+ op kanalen geformeerd door de gekloneerde subunits
vann Ih, de HCN subunits, werd vastgesteld. Na de karakterisatie van Ih in CAI
pyramidaall cellen in plakken in controle situatie, werden verschillende
concentratiess aan Ba2+ ionen ingewassen om het effect op Ih vast te stellen. Dit liet
zienn dat Ih dosis-afhankelijk werd geblokkeerd door Ba2+ ionen. Bij een
concentratiee van 1 mM Ba2+ werd de totale stroom voor ongeveer 20% geblokeerd.
Ba2++ blokkeerde op een vergelijkbare wijze de gekloneerde Ih kanalen. De twee
voornaamstee subunits die in de hippocampus tot expressie komen, de HCN1 en
HCN22 subunits, werden afzonderlijk tot expressie gebracht in HEK 293 cellen. De
tweee types Ih kanalen die op deze wijze apart konden worden bestudeerd bleken
evenn gevoelig te zijn voor blokkade door Ba2+, resulterende in 22 - 27 % block bij
eenn 1 mM Ba2+ concentratie. De concentratie van Ba2+ waarbij ongeveer de helft
vann Ih geblokkeerd werd, was 3 - 5 mM. Dit is binnen de range van concentraties
158 8
NederlandseNederlandse samenvatting
diee doorgaans gebruikt worden om Ih te isoleren. Bestudering van de biofyskhe
eigenschappenn van Ih liet zien dat Ba2+ hoofdzakelijk de conductantie van Ih
beinvloedt.. Hiernaast had Ba2+ zowel in de hippocampus plakken als in de HCN
kanalenn effect op de snelheid van activatie en deactivatie van Ih. Ih activeert
langzamerr en deactiveert sneller in de aanwezigheid van Ba2+.
Dee conclusie die te trekken valt uit deze experimenten is dat men voorzichtig moet
zijnn in het gebruik van Ba2+ als middel om Ih te isoleren van de inward rectifier.
Hoewell het effect van Ba2+ op Ih niet erg groot is, maskeert het toch zo'n 20
procentt van de totale stroom en beinvloedt het bovendien de kinetiek van Ih.
Conclusie e
Samenvattendd tonen de resultaten in dit proefschrift aan dat homeostatische
plasticiteitt van neuronale exciteerbaarheid ook op kan treden op een tijdschaal van
minuten,, in aanvulling op vergelijkbare mechanismes die optreden op een
tijdsschaall van uren tot dagen. Dit heeft als belangrijke consequentie dat neuronen
inn staat blijken te zijn om hun exciteerbaarheid te stabilizeren tijdens snelle
veranderingenn in netwerk activiteit. Dergelijke stabilizatie mechanismes zijn
mogelijkk erg belangrijk voor het implementeren van leer- en geheugen regels in
neuronalee netwerken. De toekomst zal uit moeten wijzen of deze mechanismes
ookk in andere structuren van het brein optreden en daarmee of dit een algemeen
prinicipee van functioneren van neuronen is.
159 9